【C++】5.多线程：ThreadPoll线程池实现

news2024/11/24 15:45:45

😏★,°:.☆(￣▽￣)/$:.°★ 😏
这篇文章主要介绍ThreadPoll线程池实现。
学其所用，用其所学。——梁启超
欢迎来到我的博客，一起学习，共同进步。
喜欢的朋友可以关注一下，下次更新不迷路🥞

文章目录

    • :smirk:1. 线程池介绍
    • :blush:2. 线程池实现方法
    • :satisfied:3. 线程池实现示例

😏1. 线程池介绍

线程池是一种线程管理的抽象概念，它主要用于优化多线程应用程序的性能和资源利用。在多线程编程中，创建和销毁线程是一个开销较大的操作。线程池通过预先创建一组线程，并将任务提交给这些线程来执行，从而避免了重复创建和销毁线程的开销。

线程池通常由以下几个组件组成：

1.任务队列（Task Queue）：用于存储待执行的任务。当任务提交到线程池时，它们被放置在任务队列中等待执行。

2.线程池管理器（Thread Pool Manager）：负责创建、管理和调度线程池中的线程。它控制着线程的数量，可以动态地增加或减少线程的数量，以适应不同的工作负载。

3.工作线程（Worker Threads）：线程池中的实际执行单元。它们不断地从任务队列中获取任务并执行。

4.任务接口（Task Interface）：定义了要执行的任务的接口。通常，任务是以函数或可运行对象的形式表示。

使用线程池的好处包括：

提高性能：线程池可以减少线程的创建和销毁次数，避免了频繁的上下文切换，提高了多线程程序的性能和响应速度。

资源管理：线程池可以限制并发线程的数量，避免资源过度占用，从而更好地管理系统资源。

提高可扩展性：通过调整线程池的大小，可以适应不同的并发需求，提高系统的可扩展性。

总之，线程池是一种重要的多线程编程技术，它能够有效地管理和利用线程，提高程序的性能和资源利用率。

😊2. 线程池实现方法

如上所述，实现线程池主要有4个部分：

  1. 线程管理器：用于创建并管理线程池。
  2. 工作线程：线程池中实际执行任务的线程。在初始化线程时会预先创建好固定数目的线程在池中，这些初始化的线程一般处于空闲状态。
  3. 任务接口：每个任务必须实现的接口。当线程池的任务队列中有可执行任务时，被空间的工作线程调去执行（线程的闲与忙的状态是通过互斥量实现的），把任务抽象出来形成一个接口，可以做到线程池与具体的任务无关。
  4. 任务队列：用来存放没有处理的任务。提供一种缓冲机制。实现这种结构有很多方法，常用的有队列和链表结构。

😆3. 线程池实现示例

参考Github：https://github.com/volute24/ThreadPoll

// main.cpp
#include "threadpool.h"
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

#define THREADPOOL_MAX_NUM 5

void* mytask(void *arg)
{
    printf("thread %d is working on task %d\n", (int)pthread_self(), *(int*)arg);
    sleep(1);
    free(arg);
    return NULL;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    threadpool_t pool;
    // 初始化线程池，最多5个线程
    threadpool_init(&pool, THREADPOOL_MAX_NUM);
	// 创建10个任务
    for(int i=0; i < 10; i++)
    {
        int *arg =(int *)malloc(sizeof(int));
        *arg = i;
        threadpool_add_task(&pool, mytask, arg);
        //printf("arg address:%p,arg:[%d],i:[%d]\n",arg,*arg,i);
    }
    threadpool_destroy(&pool);
    return 0;
}

// threadpool.h
#ifndef _THREAD_POLL_H_
#define _THREAD_POLL_H_

#include "condition.h"

// 封装线程池中的对象需要执行的任务对象
typedef struct task
{
	void *(*run)(void *args);//函数指针，需要执行的任务
	void *arg;			//参数
	struct task *next;	//任务队列中下一个任务
}task_t;

//定义线程池结构体
typedef struct threadpool
{
	condition_t ready;   //状态量
	task_t *first;	     //任务队列中第一个任务
	task_t *last;		//任务队列中最后一个任务
	int counter;		//线程池中已有线程数
	int idle;			//线程池中空闲线程数
	int max_threads;	//线程池最大线程数
	int quit;			//是否退出标志
}threadpool_t;

//线程池初始化
void threadpool_init(threadpool_t *pool,int threads);
//线程池中加入任务
void threadpool_add_task(threadpool_t *pool,void *(*run)(void *args),void *arg);
//销毁线程池
void threadpool_destroy(threadpool_t *pool);

#endif

// threadpoll.cpp
#include "threadpool.h"
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <time.h>
#include <pthread.h>

using namespace std;

//线程执行
void *thread_routine(void *arg)
{
	struct timespec abstime;
	int timeout;
	printf("thread %d is starting\n",(int)pthread_self());
	threadpool_t *pool = (threadpool_t *)arg;

	while(1)
	{
		timeout = 0;
		//访问池前加锁
		condition_lock(&pool->ready);
		//空闲
		pool->idle++;
		//等待队列任务|| 收到线程池销毁通知
		while(pool->first == NULL && !pool->quit)
		{
			//否则线程阻塞等待
			printf("thread %d is waiting\n",(int)pthread_self());
			//获取从当前时间加上等待时间，设置超时睡眠时间
			//clock_gettime 在编译链接时需加上 -lrt ,librt中实现了clock_gettime函数
			clock_gettime(CLOCK_REALTIME,&abstime);  //CLOCK_REALTIME 系统实时时间
			abstime.tv_sec += 2;
			int status;
			status = condition_timedwait(&pool->ready,&abstime);
			if(status == ETIMEDOUT)
			{
				printf("thread %d wait timed out\n",(int)pthread_self());
				timeout = -1;
				break;
			}
		}

		pool->idle--;
		
		if(pool->first != NULL)
		{
		 	//取出等待队列最前任务，移除任务，并执行任务
		 	task_t *t = pool->first;
			pool->first = t->next;
			//由于任务执行需要消耗时间，先解锁让其他线程访问线程池
			condition_unlock(&pool->ready);
			//执行任务
			t->run(t->arg);
			//执行完任务释放内存
            free(t);
           	//重新加锁
            condition_lock(&pool->ready);	
		}
		//退出线程池
	        if(pool->quit && pool->first == NULL)
	        {
	            pool->counter--;
	            //若线程池中没有线程，通知等待线程（主线程）全部任务已经完成
	            if(pool->counter == 0)
	            {
	                condition_signal(&pool->ready);
	            }
	            condition_unlock(&pool->ready);
	            break;
	        }
		 	//超时，跳出销毁线程
	        if(timeout == 1)
	        {
	            pool->counter--;
	            condition_unlock(&pool->ready);
	            break;
	        }
			condition_unlock(&pool->ready);
	}
    printf("thread %d is exiting\n", (int)pthread_self());
    return NULL;
}

//线程池初始化
void threadpool_init(threadpool_t *pool, int threads)
{
    
    int nstatu = condition_init(&pool-ready>);
    printf("Init return values:%d\n",nstatu);
    pool->first = NULL;
    pool->last =NULL;
    pool->counter =0;
    pool->idle =0;
    pool->max_threads = threads;
    pool->quit =0;
    
}

//增加一个任务到线程池
void threadpool_add_task(threadpool_t *pool, void *(*run)(void *arg), void *arg)
{
    //产生一个新的任务
    task_t *newtask = (task_t *)malloc(sizeof(task_t));
    newtask->run = run;
    newtask->arg = arg;
    newtask->next=NULL;//新加的任务放在队列尾端
    
    //线程池的状态被多个线程共享，操作前需要加锁
    condition_lock(&pool->ready);
    
    if(pool->first == NULL)
    {
        pool->first = newtask;
    }        
    else    
    {
        pool->last->next = newtask;
    }
    pool->last = newtask;  //队列尾指向新加入的线程
    
    //线程池中有线程空闲，唤醒
    if(pool->idle > 0)
    {
        condition_signal(&pool->ready);
    }
    //当前线程池中线程个数没有达到设定的最大值，创建一个新的线程
    else if(pool->counter < pool->max_threads)
    {
        pthread_t tid;
        pthread_create(&tid, NULL, thread_routine,pool);
        pool->counter++;
    }
    //结束，访问解锁
    condition_unlock(&pool->ready);
}

//线程池销毁
void threadpool_destroy(threadpool_t *pool)
{
    if(pool->quit)
    {
    return;
    }
    condition_lock(&pool->ready);
    pool->quit = 1;
    //线程池中线程个数大于0
    if(pool->counter > 0)
    {
        //对于等待的线程，发送信号唤醒
        if(pool->idle > 0)
        {
            condition_broadcast(&pool->ready);
        }
        //正在执行任务的线程，等待他们结束任务
        while(pool->counter)
        {
            condition_wait(&pool->ready);
        }
    }
    condition_unlock(&pool->ready);
    condition_destroy(&pool->ready);
}


//condition.h
#ifndef _CONDITION_H_
#define _CONDITION_H_

#include <pthread.h>

//封装互斥量和条件变量作为初始状态
typedef struct condition
{
	pthread_mutex_t pmutex;
	pthread_cond_t  pcond;
}condition_t;

//对状态操作函数
int condition_init(condition_t *cond);
int condition_lock(condition_t *cond);
int condition_unlock(condition_t *cond);
//条件等待
int condition_wait(condition_t *cond);
//计时等待
int condition_timedwait(condition_t *cond,const struct timespec *abstime);
//激活一个等待该条件的线程
int condition_signal(condition_t *cond);
//激活所有等待线程
int condition_broadcast(condition_t *cond);
int condition_destroy(condition_t *cond);

#endif

// condition.cpp
#include "condition.h"
#include "stdio.h"
//初始化
int condition_init(condition_t *cond)
{
	int status;
	if((status = pthread_mutex_init(&cond->pmutex,NULL)))
	{
		printf("pthread_mutex_init return value:%d\n",status);
		return status;
	}
	
	if((status = pthread_cond_init(&cond->pcond,NULL)))
	{
		printf("pthread_cond_init  return value:%d\n",status);
		return status;
	}
		
	return 0;
}

//加锁
int condition_lock(condition_t *cond)
{
	return pthread_mutex_lock(&cond->pmutex);
}

//解锁
int condition_unlock(condition_t *cond)
{
    return pthread_mutex_unlock(&cond->pmutex);
}

//等待
int condition_wait(condition_t * cond)
{
	return pthread_cond_wait(&cond->pcond,&cond->pmutex);
}

//固定时间等待
int condition_timedwait(condition_t *cond, const struct timespec *abstime)
{
	return pthread_cond_timedwait(&cond->pcond,&cond->pmutex,abstime);
}

//唤醒一个睡眠线程
int condition_signal(condition_t *cond)
{
	return pthread_cond_signal(&cond->pcond);
}

//唤醒所有睡眠线程
int condition_broadcast(condition_t * cond)
{
	return pthread_cond_broadcast(&cond->pcond);
}

//销毁锁
int condition_destroy(condition_t * cond)
{
	int status;
	if((status = pthread_mutex_destroy(&cond->pmutex)))
	{
		return status;
	}
	if((status = pthread_cond_destroy(&cond->pcond)))
	{
		return status;
	}
	return 0;
}

编译：g++ main.cpp condition.cpp threadpool.cpp -lpthread

运行如下：

Init return values:0
thread 1696954112 is starting
thread 1705346816 is starting
thread 1688561408 is starting
thread 1688561408 is working on task 0
thread 1671776000 is starting
thread 1671776000 is working on task 2
thread 1705346816 is working on task 1
thread 1696954112 is working on task 3
thread 1680168704 is starting
thread 1680168704 is working on task 4
thread 1688561408 is working on task 5
thread 1671776000 is working on task 6
thread 1705346816 is working on task 7
thread 1680168704 is working on task 8
thread 1696954112 is working on task 9
thread 1680168704 is exiting
thread 1705346816 is exiting
thread 1696954112 is exiting

在这里插入图片描述

以上。

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